通过中介层设计应对热膨胀与电迁移挑战

核心要点：

为满足 AI 工作负载对带宽的需求，制造商正转向 2.5D 和 3D 封装架构以提升互连密度。

2.5D 中介层作为无源器件，虽规避了部分 3D 封装的可靠性挑战，但仍面临热机械失效风险——各层材料的热膨胀系数各不相同。

互连密度的提升也使电迁移风险管理愈发重要。铜再分布层的微观结构会直接影响电迁移发生的概率。

随着晶体管横向缩放难度不断加大，制造商开始转向 CFET 等垂直晶体管设计及垂直封装方案，以提高器件密度。与此同时，AI 工作负载对超大带宽的需求也在推动芯片间互连密度持续攀升。

然而，器件封装的根本目标始终未变——保护芯片免受损伤，并将芯片上微米级焊盘与其他芯片及电路板上毫米级特征结构相连接。

目前，混合键合技术实现了芯片间最高的互连密度。所谓 3D 封装，即采用混合键合将芯片垂直堆叠，在最小占用面积内实现最高电路密度。硅通孔（TSV）负责将信号传输至每颗芯片底部，以连接堆叠中的下一颗芯片或底层封装基板。

3D 封装要求各组成芯片高度集成，精度需达到一颗芯片上铜凸点与另一颗芯片焊盘之间的对准级别。此外，3D 封装还面临严峻的测试与可靠性挑战。散热尤为困难，因为堆叠芯片的表面积增长速度远低于有源器件体积的增长速度。TSV 在工作时会因热量而膨胀，产生应力，可能引发裂纹和分层。由于堆叠中每一层都包含有源器件，热流与信号路径之间的相互影响难以预测。

相比之下，2.5D 封装提供了一种更为灵活的方案。在这类封装中，芯片被放置在中介层上，由中介层将各芯片焊盘上的信号重新分布至其他芯片或封装基板。中介层是无源器件，包含布线以及可能的电容和电阻，但不含晶体管或其他开关元件。与有源电路相比，中介层的建模和制造均更为简单，从而规避了部分 3D 封装的可靠性问题。

理论上，2.5D 封装中的各组成芯片相互独立。若某颗芯片的焊盘布局发生变化，只需修改中介层设计，而无需更改其他芯片的设计。从概念上看，中介层的功能类似于一块布线极为密集的电路板。

复杂结构，复杂热行为

然而，2.5D 封装仍需解决散热、提供机械支撑等问题。某颗芯片的变化可能同时影响封装的热流和热机械行为。首尔国立大学金学俊（Hakjun Kim）及其团队的研究发现，热机械失效是 2.5D 封装最具挑战性的可靠性问题。由于各材料的热膨胀系数（CTE）不同，制造过程中的温度变化和工作时的电阻加热会导致各材料以不同速率膨胀和收缩。

在 2.5D 封装中，芯片通常为带铜互连的硅材料，热膨胀系数较低；而封装基板、塑封料和底部填充料通常为有机材料，热膨胀系数较高。2.5D 封装涵盖种类繁多的方案，中介层可能集成光子器件、微流体冷却等功能，硅和聚酰亚胺是最常见的两种中介层材料，均内嵌铜线。

对于仅含单颗芯片的简单封装，建模制造过程中的膨胀与收缩相对直接——回流焊炉等工艺会对整个封装同步加热和冷却。但在工作状态下，热流取决于芯片内部的信号路径和工作流程，芯片内部的温度梯度与各层间的热膨胀系数差异共同导致复杂的应力分布。

对于含多颗芯片的封装，制造应力和工作应力的建模难度更大。例如，两颗相邻芯片可能对下方的中介层和基板产生相反方向的应力，使应力场呈现鞍形或其他复杂形态，而非简单的上凸或下凹翘曲。金学俊指出，对封装某一区域进行加固可能会加剧其他区域的应力。例如，若芯片和中介层的膨胀量大于基板，产生的拉伸应力会导致基板翘曲，严重翘曲可能造成焊点拉长甚至失效。然而，加固基板以防止翘曲并不能消除应力，只是将其转移至封装的其他部位——中介层与基板之间的键合可能失效，或再分布层发生分层。

华南理工大学罗明生（Ming-Sheng Luo）及其团队针对一种含两颗相邻芯片和三层再分布互连的简单 2.5D 封装建立了有限元模型，发现芯片间隙区域以及中介层与塑封料的连接处是特别容易发生失效的区域。对于尺寸较大的封装，他们建议添加哑元芯片（即裸硅片）以帮助平衡封装内部的应力。

罗明生还指出，根据系统所处环境的不同，封装材料的吸湿膨胀效应也可能不容忽视——不同材料因吸湿率不同而产生不同程度的膨胀，且材料的吸湿行为未必与其热行为一致。

电迁移管理

电迁移是封装失效的另一主要原因，历史上对逻辑和存储器件而言并非主要关注点。但电迁移效应与电流密度密切相关，随着封装内电流密度的升高，电迁移风险也随之增加。台湾阳明交通大学林义全（Yi-Quan Lin）及其团队通过改变铜电镀化学配方，制备出具有纳米晶或纳米孪晶晶粒结构的铜线。

通过调控晶体结构来控制电迁移，对电路电阻的影响小于掺杂或合金化元素，且工艺复杂度低于沟槽衬垫等方案。林义全的研究发现，纳米晶铜实际上降低了抗电迁移性能，原因可能在于晶界促进了扩散。而纳米孪晶铜，尤其是经退火处理后，具有强烈的（111）织构和高比例的共格孪晶界，这种结构有效抑制了晶界处的氧化物形成和空洞生成。日月光集团（ASE Group）的类似研究则通过原位观察去封装后的再分布层结构来研究电迁移行为，结果表明，细晶粒铜线的寿命约为粗晶粒铜线的七倍。

面向未来的建模

图1：含三颗芯粒和八层硅中介层的 2.5D 封装示意图。

2.5D 封装的高度复杂性，加之单个焊盘与整体封装之间的尺度跨越，使预测性建模面临极大挑战。对单个区域进行有限元分析并不困难，但需要考量的区域数量庞大，计算量难以承受。研究人员正着手开发深度学习代理模型，以减少对有限元分析的依赖。初步结果表明，这一方法有望为翘曲及其他非线性行为的可扩展建模提供可行路径。

Q&A

Q1：2.5D 封装中的中介层主要起什么作用？

A：中介层是 2.5D 封装中的无源器件，负责将各芯片焊盘上的信号重新分布至其他芯片或封装基板，功能类似于布线极为密集的电路板。它只包含布线、电容和电阻，不含晶体管，因此比有源电路更易建模和制造，也规避了部分 3D 封装的可靠性问题。

Q2：2.5D 封装为什么容易出现热机械失效？

A：2.5D 封装中各层材料的热膨胀系数不同，硅芯片和铜互连的热膨胀系数较低，而有机基板、塑封料和底部填充料的热膨胀系数较高。温度变化会导致各材料以不同速率膨胀和收缩，产生复杂应力。多芯片封装中，相邻芯片还可能对中介层产生相反方向的应力，导致翘曲、焊点失效或再分布层分层。

Q3：纳米孪晶铜为什么能提升再分布层的抗电迁移性能？

A：纳米孪晶铜经退火处理后，具有强烈的（111）织构和高比例的共格孪晶界，这种微观结构能有效抑制晶界处的氧化物形成和空洞生成，从而提升抗电迁移性能。相关研究还表明，细晶粒铜线的电迁移寿命约为粗晶粒铜线的七倍，且调控晶体结构对电路电阻的影响较小，工艺复杂度也低于其他方案。